为什么氢变水容易,水变氢却这么难

2024年09月18日 阅读量:133

河南南阳下线的“喝饱水就跑”汽车被传为笑话,其最大的bug 忽略水变氢的化学反应需要大量的能量。行业专家表示,没有额外的能量注入,水不会分解成氧气和氢气,否则就违反了能量守恒定律。


众所周知,氧气和氢气只需要一点火星就会发生剧烈的化学反应,导致爆炸,在反应过程中产生水,释放能量。


根据能量守恒定律,很难将水裂解成氢气和氧气,从外部注入大量能量。你有没有想过,造成这种差异的原因是什么?是什么决定了化学反应是吸收还是释放能量?


化学反应的本质是旧化学键的断裂和新化学键的产生,从而产生新的物质(化学键是指离子或原子的结合力)。我们以氢分子的形成为例,从能量的角度进行分析。


众所周知,原子由原子核(质子和中子)和绕核电子组成。两个氢原子相互靠近,形成氢分子的过程更为复杂。在忽视量子效应的简化模型中,质子和电子之间的电磁力使两个原子相互吸引,但当它们接近一定程度时,另一种力会使原子相互排斥。因此,当氢原子处于“不近也不远”的特定距离时,总体势能最低且最稳定。


在特定距离下,两个氢原子的势能最低、最稳定,形成氢分子。(图片来源:vision-learning.com)


我们可以把上图想象成反映重力势能的斜坡——下图中的球一开始会左右滚动,失去能量,但最终会稳定在势能的最低点。


小球最终会稳定在图中的最低点,即势能的最低点。(图片来源:wired.com)


如果要让“势能谷底”的球再次移动,即两个氢原子之间的化学键断裂,显然需要来自外部世界的额外能量驱动。


总结一下:


打破旧的化学键就像提升球,需要额外的能量。在氢变水的反应中,只有一个小火星就足够了;在水变氢的过程中,需要更多的能量。


新的化学键形成就像一个小球滚下来,会释放能量,比如氢气和氧气结合爆炸。


化学反应中能量守恒的本质是,如果新化学键释放的能量大于旧化学键断裂吸收的能量,反应中会释放热量,反之亦然。



如果E1<如果E1,反应会释放能量,如氢气和氧气产生水。>E2,反应需要吸收能量,如水分解成氢和氧;换句话说,当氢和氧形成水时,释放的能量来自“氢”、“氧”键和水分子中的“氢氧”键之间的能量差距。相反,当水分解成氢和氧时,也需要从外界补充相当大的能量差距。


图片来源:wired.com


这说明水比氢稳定得多。也正是因为水分子容易产生,水分子难以裂解,地球表面的71%被水等稳定物质覆盖。


事实上,已知的裂解水分子的方法有很多,其中植物的光合作用就是其中之一。这个过程没有产生氢气,大部分阳光能量储存在碳水化合物中。



电裂解水是另一种常见的解决方案。早在1833年,法拉第就提出了第一/第二电解定律。如今,即使是普通人也可以在家里进行简单的电裂解水试验。然而,在目前的技术条件下,该方法的能量转化效率非常低,消耗4度电解产生的氢能与1度电相似。因此,制氢的成本非常高。这也是氢能汽车面临的最大问题。


例如(图片来自网络)


如今,在工业上,大量的氢气是由天然气通过“蒸汽重组”产生的。这个过程也需要能源消耗,但由于大量的化学能源来自天然气,成本低于简单的裂解水。


图片来自网络


根据这两天引起热议的青年汽车公司的描述,公司的“水氢发动机”工作原理是在车顶放置蓄水箱。车内的特殊转换设置可将水转化为氢,然后输入氢燃料反应堆产生电能,然后驱动车载电机和发动机,使汽车行驶。”


图片来源:华尔街见闻:


然而,无论采用哪种已知(或未知)的“特殊转化技术”来实现“水-氢”的转化,我们都不能绕过上述能量差距——水不会“逆流而上”,也不会自发地变成氢。


5月24日下午,金华青年汽车公司书面回应澎湃新闻:“汽车水解制氢能源汽车不仅仅是加水,而是在我们研究的催化剂的作用下,反应物与水反应实时制氢。氢通过氢燃料发动机产生电,由电机驱动,使车辆行驶。”


至于什么是“反应物”,公司没有透露。


大概是一种Very Good材料(来自网络)


有网友猜测,这种“反应物”应该是金属铝。


铝箔通常不与水反应,因为它的表面有氧化保护层。然而,强碱(如氢氧化钠)可以溶解其表面,因此铝可以与水反应产生氢(图片来自网络)


这种反应利用铝单质的强还原性来替代氢单质。


这种反应确实需要“加水”,但它的能量来自金属铝,而不是水分子。此外,水和铝的反应会释放大量的热量,造成能量损失。


总之,如果你真的想用水作为燃料,你需要找到比水分子更稳定、能量更低的氢和氧化合物——不幸的是,这种物质并不存在。


历史上有很多“以水为油”的例子,声称能量(化学能量)可以从水中榨出,但毫无例外,都以伪科学或商业欺诈的形象告终。


维基百科对“饮水车”的总结




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